JP7093977B2 - Heat generation material, heat generation system using it, and heat supply method - Google Patents

Heat generation material, heat generation system using it, and heat supply method Download PDF

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Description

本発明は、発熱材料、並びにこれを用いた発熱システムおよび熱供給方法に関する。 The present invention relates to a heat generating material, and a heat generating system and a heat supply method using the heat generating material.

従来、高温(100℃以上)で水素を吸蔵する水素吸蔵材料を用いた熱利用システムが知られている。 Conventionally, a heat utilization system using a hydrogen storage material that stores hydrogen at a high temperature (100 ° C. or higher) is known.

例えば、Claudio Corgnale et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 38 (2014) 821-833には、2種の水素吸蔵材料を備えた集光型太陽熱発電システムが提案されている。このシステムでは、太陽光が利用可能な日中には太陽熱を利用して水蒸気を発生させてタービンによる発電が行われる。それと同時に、太陽熱の一部を利用して第1の(高温用の)水素吸蔵材料を加熱することで、当該第1の水素吸蔵材料から水素を放出させ、この水素を第2の(低温用の)水素吸蔵材料に吸蔵させて、その際の吸蔵熱を蓄熱する。一方、太陽光が利用可能ではない夜間には、日中に蓄えておいた熱を利用して第2の水素吸蔵材料を加熱することで、当該第2の水素吸蔵材料から水素を放出させ、この水素を第1の水素吸蔵材料に吸蔵させて、その際の吸蔵熱を水蒸気の発生に利用する。このようにして、日中のみならず夜間においても水蒸気を常に発生させて、タービンによる発電を行うことが可能となる。 For example, Claudio Corgnale et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 38 (2014) 821-833 propose a concentrating solar power generation system with two hydrogen storage materials. In this system, during the daytime when sunlight is available, the heat of the sun is used to generate water vapor to generate electricity from the turbine. At the same time, by heating the first (for high temperature) hydrogen storage material using a part of the solar heat, hydrogen is released from the first hydrogen storage material, and this hydrogen is used for the second (for low temperature). ) The hydrogen storage material is stored and the stored heat at that time is stored. On the other hand, at night when sunlight is not available, the second hydrogen storage material is heated by using the heat stored during the day to release hydrogen from the second hydrogen storage material. This hydrogen is stored in the first hydrogen storage material, and the storage heat at that time is used for the generation of water vapor. In this way, it is possible to generate electricity by the turbine by constantly generating water vapor not only during the day but also at night.

Claudio Corgnale et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 38 (2014) 821-833に記載の技術においては、上述したように水素吸蔵材料を利用することで太陽熱を効率的に利用することが可能である。ただし、太陽光が利用可能ではない夜間における発熱量を増やすためには、より高い水素吸蔵性能やより大きい発熱量を有する材料を開発することが必要である。また、従来の高温用の水素吸蔵材料では、水素の放出時に水素吸蔵材料の粒子が凝集してしまい、水素吸蔵性能や発熱量が低下してしまうという問題もある。 In the technique described in Claudio Corgnale et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 38 (2014) 821-833, it is possible to efficiently utilize solar heat by using a hydrogen storage material as described above. .. However, in order to increase the calorific value at night when sunlight is not available, it is necessary to develop a material with higher hydrogen storage performance and larger calorific value. Further, in the conventional hydrogen storage material for high temperature, there is a problem that the particles of the hydrogen storage material are aggregated when hydrogen is released, and the hydrogen storage performance and the calorific value are deteriorated.

そこで本発明は、高温での使用時における水素吸蔵性能や発熱量の低下を抑制することができ、しかも水素吸蔵性能や発熱量といった物性がよりいっそう改善された発熱材料を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a heat-generating material which can suppress a decrease in hydrogen storage performance and calorific value when used at a high temperature, and further has improved physical properties such as hydrogen storage performance and calorific value. do.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、所定の条件を満たす2種の金属を組み合わせ、これらの少なくとも一方が有する水素吸蔵能を利用して発熱材料とすることにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have made diligent studies to solve the above problems. As a result, it has been found that the above-mentioned problems can be solved by combining two kinds of metals satisfying predetermined conditions and using the hydrogen storage capacity of at least one of them as a heat generating material, and complete the present invention. It came to.

すなわち、本発明の一形態によれば、230℃以上の融点を有する第1の金属と、前記第1の金属よりも高い融点を有する第2の金属とを含む発熱材料が提供される。ここで、当該発熱材料において、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方は、前記第2の金属の融点未満の温度で銀よりも大きい水素溶解度を有するものである。また、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方の水素化物は、CaHの標準生成エンタルピー以上の標準生成エンタルピーを有するものである。そして、この発熱材料は、前記第2の金属の融点未満の温度において、前記第1の金属および前記第2の金属が水素ガスと接触することにより発熱するという点に特徴がある。That is, according to one embodiment of the present invention, there is provided a heat generating material containing a first metal having a melting point of 230 ° C. or higher and a second metal having a melting point higher than that of the first metal. Here, in the heat generating material, at least one of the first metal or the second metal has a hydrogen solubility higher than that of silver at a temperature lower than the melting point of the second metal. Further, the hydride of at least one of the first metal or the second metal has a standard enthalpy of formation equal to or higher than the standard enthalpy of formation of CaH 2 . The heat-generating material is characterized in that heat is generated when the first metal and the second metal come into contact with hydrogen gas at a temperature lower than the melting point of the second metal.

本発明の一実施形態に係る発熱材料を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the heat generating material which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発熱材料(実施例1および実施例2において製造された発熱材料)に含まれる合金の微細構造を、走査電子顕微鏡付属の元素分析装置、SEM-EDXを用いて分析した結果を示す顕微鏡写真(倍率:500倍)である。The fine structure of the alloy contained in the heat generating material (heat generating material produced in Examples 1 and 2) according to the embodiment of the present invention is analyzed by using the elemental analyzer attached to the scanning electron microscope, SEM-EDX. It is a micrograph (magnification: 500 times) showing the result. 本発明の他の一実施形態に係る発熱材料を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the heat generating material which concerns on another Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発熱システムの概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of the heat generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例1および実施例2において製造された発熱材料(1)について、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定(保持温度700℃)を行った結果を示すグラフである。For the heat generating material (1) produced in Examples 1 and 2, differential scanning calorimetry (DSC) measurement (holding temperature 700 ° C.) under the conditions of hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow was performed. It is a graph which shows the result which performed. 実施例1および実施例2において製造された発熱材料(1)について、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定(保持温度800℃)を行った結果を示すグラフである。For the heat generating material (1) produced in Examples 1 and 2, differential scanning calorimetry (DSC) measurement (holding temperature 800 ° C.) under the conditions of hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow was performed. It is a graph which shows the result which performed. 実施例1および実施例2において製造された発熱材料(1)について、水素TPR法(昇温還元法)により、昇温時における水素濃度の変化(すなわち、水素の吸蔵および脱蔵反応のプロファイル)を調べた結果を示すグラフである。Regarding the heat generating material (1) produced in Examples 1 and 2, the change in hydrogen concentration at the time of temperature rise (that is, the profile of hydrogen occlusion and storage reaction) by the hydrogen TPR method (heat temperature reduction method). It is a graph which shows the result of having examined. 比較例1において、ニッケル(Ni)粉末を用いて、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を行った結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of differential scanning calorimetry (DSC) measurement under the conditions of hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow using nickel (Ni) powder in Comparative Example 1. 比較例2において、アルミニウム(Al)粉末を用いて、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を行った結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the results of differential scanning calorimetry (DSC) measurement under conditions of hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow using aluminum (Al) powder in Comparative Example 2.

以下、図面を参照しながら、上述した本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.

本発明の一形態は、230℃以上の融点を有する第1の金属と、前記第1の金属よりも高い融点を有する第2の金属とを含み、この際、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方が、前記第2の金属の融点未満の温度で銀よりも大きい水素溶解度を有し、かつ、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方の水素化物が、CaHの標準生成エンタルピー以上の標準生成エンタルピーを有し、前記第2の金属の融点未満の温度において、前記第1の金属および前記第2の金属が水素ガスと接触することにより発熱する、発熱材料である。本形態に係る発熱材料は、水素ガス(H)の存在下で加熱されることにより、非常に大きな発熱量を外部に放出する。このように、本発明によれば、高温での使用時における水素吸蔵性能や発熱量の低下を抑制することができ、しかも水素吸蔵性能や発熱量といった物性がよりいっそう改善された発熱材料が提供される。この発熱材料は、発熱システムや熱供給方法に好適に適用される。One embodiment of the present invention includes a first metal having a melting point of 230 ° C. or higher and a second metal having a melting point higher than that of the first metal, and at this time, the first metal or the first metal. At least one of the two metals has a higher hydrogen solubility than silver at a temperature below the melting point of the second metal, and the hydride of the first metal or at least one of the second metals. It has a standard production enthalpy equal to or higher than the standard production enthalpy of CaH 2 , and generates heat when the first metal and the second metal come into contact with hydrogen gas at a temperature lower than the melting point of the second metal. It is a material. The heat generating material according to this embodiment is heated in the presence of hydrogen gas (H 2 ) to release a very large calorific value to the outside. As described above, according to the present invention, there is provided a heat generating material capable of suppressing a decrease in hydrogen storage performance and calorific value when used at a high temperature, and further improving physical properties such as hydrogen storage performance and calorific value. Will be done. This heat generating material is suitably applied to a heat generating system and a heat supply method.

なお、本発明に係る発熱材料が非常に大量の熱(過剰熱)を発生しうるメカニズムは完全には明らかとはなっていない。ただし、本発明者らは、上記メカニズムに関して、水素化物合金の相転移の繰り返しによって水素の吸蔵および脱蔵が繰り返される結果、上述したような大量の発熱が生じるものと推測している。 The mechanism by which the heat-generating material according to the present invention can generate a very large amount of heat (excessive heat) has not been completely clarified. However, the present inventors presume that, with respect to the above mechanism, a large amount of heat generation as described above is generated as a result of repeated occlusion and desorption of hydrogen due to repeated phase transitions of the hydride alloy.

[発熱材料]
図1は、本発明の一実施形態に係る発熱材料を模式的に表す断面図である。図1に示す発熱材料10は、第1の金属であるアルミニウム(Al)(融点:660.3℃)20と、第2の金属であるニッケル(Ni)(融点:1455℃)30との合金40を含んでいる。、本実施形態において、アルミニウム(Al)20とニッケル(Ni)30との合金40は、組成比の異なる複数の相を有している。図2は、本実施形態に係る発熱材料(実施例1および実施例2において製造された発熱材料)に含まれる合金の微細構造を、走査電子顕微鏡付属の元素分析装置、SEM-EDXを用いて分析した結果を示す顕微鏡写真(倍率:500倍)である。図2に示すように、本実施形態に係る合金は組成比の異なる複数の相を有している。具体的に、図2に示す顕微鏡写真においては、薄灰色を示す相と濃灰色を示す相との2つの相が存在していることがわかる。ここで、図2の左に示すグラフは、図2に示す顕微鏡写真における薄灰色の相の元素組成を分析した結果を示すものであり、この結果から、薄灰色の相はAl:Ni=61原子%:39原子%(Al:Ni=3.12:2(原子比))の組成を有していることがわかる。一方、図2の右に示すグラフは、図2に示す顕微鏡写真における濃灰色の相の元素組成を分析した結果を示すものであり、この結果から、濃灰色の相はAl:Ni=76原子%:24原子%(Al:Ni=3.16:1(原子比))の組成を有していることがわかる。
[Heat-generating material]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a heat generating material according to an embodiment of the present invention. The heat generating material 10 shown in FIG. 1 is an alloy of a first metal, aluminum (Al) (melting point: 660.3 ° C.) 20, and a second metal, nickel (Ni) (melting point: 1455 ° C.) 30. Contains 40. In the present embodiment, the alloy 40 of aluminum (Al) 20 and nickel (Ni) 30 has a plurality of phases having different composition ratios. FIG. 2 shows the fine structure of the alloy contained in the heat-generating material (heat-generating material produced in Examples 1 and 2) according to the present embodiment, using an elemental analyzer attached to a scanning electron microscope, SEM-EDX. It is a micrograph (magnification: 500 times) which shows the analysis result. As shown in FIG. 2, the alloy according to this embodiment has a plurality of phases having different composition ratios. Specifically, in the micrograph shown in FIG. 2, it can be seen that there are two phases, a phase showing light gray and a phase showing dark gray. Here, the graph shown on the left of FIG. 2 shows the result of analyzing the elemental composition of the light gray phase in the micrograph shown in FIG. 2, and from this result, the light gray phase is Al: Ni = 61. It can be seen that it has a composition of atomic%: 39 atomic% (Al: Ni = 3.12: 2 (atomic ratio)). On the other hand, the graph shown on the right of FIG. 2 shows the result of analyzing the elemental composition of the dark gray phase in the micrograph shown in FIG. 2, and from this result, the dark gray phase has Al: Ni = 76 atoms. It can be seen that it has a composition of%: 24 atomic% (Al: Ni = 3.16: 1 (atomic ratio)).

以下、本形態に係る発熱材料の具体的な構成について、詳細に説明する。 Hereinafter, the specific configuration of the heat generating material according to this embodiment will be described in detail.

(金属の種類)
本形態に係る発熱材料は、少なくとも2種の金属を含むものである。本形態に係る発熱材料に含まれる金属のうち、より低い融点を有するものを「第1の金属」と称し、より高い融点を有するものを「第2の金属」と称する。なお、第1の金属の融点は230℃以上であることが必須である。また、本形態に係る発熱材料に含まれる第1の金属および第2の金属のうち、少なくとも一方は、前記第2の金属の融点未満の温度で銀よりも大きい水素溶解度を有するものである。このような構成とすることによって、本形態に係る発熱材料が大量の発熱を生じる際に起こる水素化物合金の相転移の繰り返しのための水素の吸蔵が十分に行われる。これに対し、第1の金属および第2の金属の水素溶解度がともに銀の水素溶解度以下であると、材料が十分な量の水素を吸蔵することができず、発熱材料として用いることができない。好ましい実施形態においては、第1の金属および第2の金属の双方が、上記温度で銀よりも大きい水素溶解度を有するものである。なお、ある金属に対する水素溶解度の値は、実験的に求めた値であってもよいし、コンピューターシミュレーションを用いた計算により求めた値であってもよい。
(Type of metal)
The heat generating material according to this embodiment contains at least two kinds of metals. Among the metals contained in the heat generating material according to the present embodiment, those having a lower melting point are referred to as "first metal", and those having a higher melting point are referred to as "second metal". It is essential that the melting point of the first metal is 230 ° C. or higher. Further, at least one of the first metal and the second metal contained in the heat generating material according to the present embodiment has a hydrogen solubility higher than that of silver at a temperature lower than the melting point of the second metal. With such a configuration, hydrogen is sufficiently occluded for repeating the phase transition of the hydride alloy that occurs when the heat generating material according to this embodiment generates a large amount of heat. On the other hand, if the hydrogen solubility of both the first metal and the second metal is less than or equal to the hydrogen solubility of silver, the material cannot occlude a sufficient amount of hydrogen and cannot be used as a heat generating material. In a preferred embodiment, both the first metal and the second metal have greater hydrogen solubility than silver at the above temperatures. The value of hydrogen solubility in a certain metal may be a value obtained experimentally or a value obtained by calculation using a computer simulation.

さらに、第1の金属または第2の金属の少なくとも一方の水素化物は、CaHの標準生成エンタルピー(-186.2kJ/mol)以上の標準生成エンタルピーを有するものである。このような構成とすることによって、本形態に係る発熱材料が大量の発熱を生じる際に起こる水素化物合金の相転移の繰り返しのための水素の脱蔵が十分に行われる。これに対し、第1の金属および第2の金属のそれぞれの水素化物の標準生成エンタルピーがCaHの標準生成エンタルピーよりも大きいと、水素を吸蔵することにより生成する水素化物がエネルギー的に極めて安定な状態となってしまい、当該水素化物からの水素の脱蔵が十分に行われず、やはり発熱材料として用いることはできない。なお、ある金属の水素化物の標準生成エンタルピーの値もまた、実験的に求めた値であってもよいし、コンピューターシミュレーションを用いた計算により求めた値であってもよい。Further, the hydride of at least one of the first metal or the second metal has a standard enthalpy of formation of CaH 2 or more (-186.2 kJ / mol) or higher. With such a configuration, hydrogen is sufficiently stored for repeated phase transitions of the hydride alloy that occurs when the heat generating material according to this embodiment generates a large amount of heat. On the other hand, when the standard production enthalpy of each of the first metal and the second metal hydride is larger than the standard production enthalpy of CaH 2 , the hydride produced by storing hydrogen is extremely stable in terms of energy. The hydrogen is not sufficiently stored from the hydride, and cannot be used as a heat generating material. The value of the standard enthalpy of formation of a hydride of a certain metal may also be a value obtained experimentally or a value obtained by calculation using a computer simulation.

これらの「第1の金属」および「第2の金属」の規定を満足する金属が少なくとも含まれている場合には、本形態に係る発熱材料の技術的範囲に包含されるものとする。つまり、3つ以上の金属が含まれていても、そのうちの任意の2つの金属が上記の規定を満足する場合には本発明の範囲内である。また、これらの金属の含有形態についても特に制限はない。ただし、上述した実施形態のように、第1の金属と第2の金属とが、組成比の異なる複数の相を有する合金の状態で存在していることが好ましい。 When at least a metal satisfying the provisions of these "first metal" and "second metal" is contained, it shall be included in the technical scope of the heat generating material according to this embodiment. That is, even if three or more metals are contained, it is within the scope of the present invention if any two metals satisfy the above-mentioned provisions. Further, there is no particular limitation on the content form of these metals. However, as in the above-described embodiment, it is preferable that the first metal and the second metal exist in the state of an alloy having a plurality of phases having different composition ratios.

第1の金属および第2の金属の具体的な種類について特に制限はなく、上記の規定を満足しうる組み合わせから任意に選択可能である。そして、ある金属が「第1の金属」に該当するか「第2の金属」に該当するかは、組み合わされる他の金属との関係で決定される相対的なものである。このため、これらの金属の組み合わせによっては、ある金属が「第1の金属」に該当する場合と、「第2の金属」に該当する場合の双方の可能性が存在する。一例としては、第1の金属として、アルミニウム(Al)、スズ(Sn)、鉛(Pb)が挙げられる。また、第2の金属として、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、バナジウム(V)、カルシウム(Ca)が挙げられる。これらの金属を用いると、発熱量の大きい発熱材料を構成することが可能であるため、好ましい。また、加熱温度が比較的低い場合であっても発熱材料として機能しうるという観点からは、融点が比較的低いスズ(Sn)を第1の金属として用いることが好ましい。また、発熱量が大きいという観点からは、アルミニウム(Al)を第1の金属として用いることも好ましい。さらに、「第1の金属-第2の金属」の組み合わせとしては、ニッケル-ジルコニウム、アルミニウム-ニッケル、アルミニウム-チタン、アルミニウム-マンガン、アルミニウム-亜鉛、スズ-チタン、アルミニウム-カルシウムなどが挙げられるが、特に発熱量の大きい発熱材料を構成することが可能であるという観点からは、アルミニウム-ニッケル、アルミニウム-チタン、スズ-チタンの組み合わせが好ましく、アルミニウム-ニッケル、スズ-チタンの組み合わせがより好ましく、アルミニウム-ニッケルの組み合わせが特に好ましい。なお、これら以外の金属や、これら以外の組み合わせが用いられてもよいことはもちろんである。 The specific types of the first metal and the second metal are not particularly limited, and can be arbitrarily selected from combinations that can satisfy the above provisions. Then, whether a certain metal corresponds to the "first metal" or the "second metal" is a relative one determined by the relationship with other metals to be combined. Therefore, depending on the combination of these metals, there is a possibility that a certain metal corresponds to the "first metal" and the case corresponds to the "second metal". As an example, examples of the first metal include aluminum (Al), tin (Sn), and lead (Pb). Examples of the second metal include nickel (Ni), titanium (Ti), zirconium (Zr), manganese (Mn), zinc (Zn), vanadium (V), and calcium (Ca). It is preferable to use these metals because it is possible to form a heat-generating material having a large calorific value. Further, from the viewpoint that tin (Sn) having a relatively low melting point can function as a heat generating material even when the heating temperature is relatively low, it is preferable to use tin (Sn) as the first metal. Further, from the viewpoint of large calorific value, it is also preferable to use aluminum (Al) as the first metal. Further, examples of the combination of "first metal-second metal" include nickel-zirconium, aluminum-nickel, aluminum-titanium, aluminum-manganese, aluminum-zinc, tin-titanium, aluminum-calcium and the like. In particular, from the viewpoint that it is possible to form a heat-generating material having a large calorific value, a combination of aluminum-nickel, aluminum-titanium, and tin-titanium is preferable, and a combination of aluminum-nickel and tin-titanium is more preferable. The aluminum-nickel combination is particularly preferred. Of course, metals other than these and combinations other than these may be used.

(外殻体)
本形態に係る発熱材料は、後述する実施例8(発熱材料(7))および図3に示すように、無機多孔質体からなる外殻体の内部に位置するものであってもよい。図3に示す実施形態において、金属(アルミニウム(Al)20およびニッケル(Ni)30)は、合金40の状態で無機多孔質体である金属酸化物(シリカ(SiO))からなる外殻体50の内部に位置している。
(Outer shell)
As shown in Example 8 (heating material (7)) and FIG. 3 described later, the heat-generating material according to this embodiment may be located inside an outer shell body made of an inorganic porous body. In the embodiment shown in FIG. 3, the metal (aluminum (Al) 20 and nickel (Ni) 30) is an outer shell made of a metal oxide (silica (SiO 2 )) which is an inorganic porous body in the state of the alloy 40. It is located inside 50.

ここで、本形態に係る発熱材料は、第2の金属の融点未満の温度に加熱されて用いられる。このため、外殻体の構成材料はシリカに限定されず、水素ガス(H)雰囲気下、上記温度において化学的に安定であり、かつ、水素ガス(H)を透過する多孔質体であればよい。このような外殻体の構成材料としては、入手や製造の容易性の観点から、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、ゼオライト等の金属酸化物が好ましく、なかでもシリカまたはジルコニアが好ましい。また、活性炭などの多孔質炭素炭素材料や、多孔質炭化ケイ素・窒化ケイ素、多孔性金属、多孔性金属錯体(MOF)なども外殻体を構成する無機多孔質体として用いられうる。Here, the heat generating material according to this embodiment is used by being heated to a temperature lower than the melting point of the second metal. Therefore, the constituent material of the outer shell is not limited to silica, and is a porous body that is chemically stable at the above temperature under a hydrogen gas (H 2 ) atmosphere and that allows hydrogen gas (H 2 ) to permeate. All you need is. As the constituent material of such an outer shell, metal oxides such as silica, alumina, ceria, zirconia, titania, and zeolite are preferable, and silica or zirconia is particularly preferable, from the viewpoint of easy availability and production. Further, a porous carbon carbon material such as activated carbon, a porous silicon carbide / silicon nitride, a porous metal, a porous metal complex (MOF), or the like can also be used as an inorganic porous body constituting the outer shell.

図3に示すように、第1の金属および第2の金属が無機多孔質体からなる外殻体の内部に位置していることで、発熱材料の取扱いが容易となるという利点がある。また、発熱材料の使用温度(第2の金属の融点未満の温度)において第1の金属は溶融することが好ましい(ただし、第1の金属が溶融していなくとも発熱反応を進行させることが可能であることもある)。ここで、発熱材料の使用温度において第1の金属が溶融する場合には、外殻体が存在すれば、溶融した第1の金属が流動して発熱材料の形状が保持できなくなることを防止することができる。このように発熱材料の形状が保持されれば、当該発熱材料を再利用する際にも取扱いが簡便であるという利点もある。 As shown in FIG. 3, since the first metal and the second metal are located inside the outer shell body made of the inorganic porous body, there is an advantage that the heat generating material can be easily handled. Further, it is preferable that the first metal melts at the operating temperature of the heat-generating material (the temperature below the melting point of the second metal) (however, the exothermic reaction can proceed even if the first metal is not melted). It may be). Here, when the first metal is melted at the operating temperature of the heat-generating material, if the outer shell is present, the melted first metal is prevented from flowing and the shape of the heat-generating material cannot be maintained. be able to. If the shape of the heat-generating material is maintained in this way, there is an advantage that the heat-generating material is easy to handle even when it is reused.

なお、外殻体の存在は必須ではない。すなわち、図1に示すように、第1の金属(例えば、アルミニウム(Al))と、第2の金属(例えば、ニッケル(Ni))との混合物、固溶体または合金から、発熱材料10が構成されていてもよい。 The presence of the outer shell is not essential. That is, as shown in FIG. 1, the heat generating material 10 is composed of a mixture, a solid solution or an alloy of a first metal (for example, aluminum (Al)) and a second metal (for example, nickel (Ni)). May be.

[発熱材料の製造方法]
本形態に係る発熱材料の製造方法について特に制限はなく、後述する実施例の欄の記載に基づき、従来公知の技術常識を参照することにより、本形態に係る発熱材料を製造することができる。
[Manufacturing method of heat-generating material]
The method for producing the heat-generating material according to this embodiment is not particularly limited, and the heat-generating material according to this embodiment can be produced by referring to the conventionally known technical common sense based on the description in the column of Examples described later.

一例として、図3に示す実施形態の発熱材料を製造するには、後述する実施例の欄に記載の方法が採用されうる。この製造方法について、外殻体がシリカ(SiO)からなる場合を例に挙げて、以下に簡単に説明する。As an example, in order to produce the heat generating material of the embodiment shown in FIG. 3, the method described in the column of Examples described later can be adopted. This manufacturing method will be briefly described below by taking as an example the case where the outer shell is made of silica (SiO 2 ).

この製造方法では、まず、第1の金属(例えば、アルミニウム(Al))の粉末を準備する。この粉末に、溶媒として水あるいは水を含有する親水性溶媒を添加する。親水性溶媒としては、炭素数1~4のアルコール、ギ酸、ニトロメタン、酢酸、アセトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、炭酸プロピレン、N-メチルピロリドン等を用いることができ、水の含有率に制約はない。次いで、後述するシリカ化(加水分解・縮合)反応の触媒として、塩基を添加する。この塩基の種類は特に制限されず、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、イミダゾール、N,N-ジメチルアニリン、N,N-ジエチルアニリン、ピリジン、キノリン、イソキノリン、α-ピコリン、β-ピコリン、2,4-ルチジン、2,6-ルチジン等の有機塩基触媒、水酸化カリウムや水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩基触媒が挙げられる。 In this manufacturing method, first, a powder of a first metal (for example, aluminum (Al)) is prepared. Water or a hydrophilic solvent containing water is added to this powder as a solvent. As the hydrophilic solvent, alcohol having 1 to 4 carbon atoms, formic acid, nitromethane, acetic acid, acetone, tetrahydrofuran, ethyl acetate, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone and the like can be used, and water can be used. There is no restriction on the content of. Next, a base is added as a catalyst for the silicification (hydrolysis / condensation) reaction described later. The type of this base is not particularly limited, and trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, imidazole, N, N-dimethylaniline, N, N-diethylaniline, pyridine, quinoline, isoquinoline, α-picoline, β-picoline. , 2,4-Lutidine, 2,6-Lutidine and other organic base catalysts, and inorganic base catalysts such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, potassium carbonate, sodium carbonate, potassium hydrogencarbonate and sodium hydrogencarbonate.

次いで、必要に応じて攪拌処理を施して溶液を均一に混合した後、いずれかの金属への吸着能を有するカップリング剤を添加し、これをシリカ外殻形成の起点とする。そのカップリング剤としては、アミノプロピル基などアミノ基をもつアルコキシドあるいは化合物であることが好ましい。例えば、アミノプロピルトリメトキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン(APTES)、アミノプロピルトリプロポキシドシラン、アミノプロピルジメトキシメチルシラン、メルカプトトリメチルシラン、メルカプトトリエチルシラン、メルカプトジメトキシメチルシランなどが好適である。また、アミノ基を有するアルコキシド以外にも、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン等のジアミン類を用いることもできる。なお、必要に応じて溶液を加温し、さらに攪拌処理を施してもよい。これまでの手順により金属粒子の表面にカップリング剤が吸着する、あるいはカップリング剤によって被覆することができる。このような吸着層あるいは被覆層形成はシリカ外殻の均一性を高める技術的効果がある。 Then, if necessary, stirring treatment is performed to uniformly mix the solution, and then a coupling agent having an ability to adsorb to any metal is added, and this is used as a starting point for forming the silica outer shell. The coupling agent is preferably an alkoxide or a compound having an amino group such as an aminopropyl group. For example, aminopropyltrimethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane (APTES), aminopropyltripropoxidesilane, aminopropyldimethoxymethylsilane, mercaptotrimethylsilane, mercaptotriethylsilane, mercaptodimethoxymethylsilane and the like are suitable. Further, in addition to the alkoxide having an amino group, diamines such as pentamethylenediamine, hexamethylenediamine and heptamethylenediamine can also be used. If necessary, the solution may be heated and further subjected to stirring treatment. According to the procedure so far, the coupling agent can be adsorbed on the surface of the metal particles or can be coated with the coupling agent. The formation of such an adsorption layer or a coating layer has a technical effect of enhancing the uniformity of the silica outer shell.

次いで、シリカ外殻を形成するために、その前駆体を添加して、外殻形成反応を起こさせる。シリカ外殻の前駆体としては、シリコンテトラメトキシド、シリコンテトラエトキシド(TEOS)、シリコンテトラプロポキシドなどのアルコキシド、あるいは、そのアルコキシ基を一部別の官能基に変えたアルコキシドも用いることができる。別の官能基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、アミノプロピル基、メルカプト基などが挙げられる。また、シリカ前駆体として、ケイ酸ナトリウム(水ガラス)を用いることもできる。ただしその場合は、pHを12~14の範囲で制御して、水ガラスの反応性を下げる必要がある。この時点で、TEOSなど幾つかのアルコキシドは水に溶解しないことから、溶液は2層に分離した状態(下層が水溶液相、上層がシリカ前駆体相)となる。なお、溶媒に水ではなく親水性溶媒を用いた場合や親水性のアルコキシドを用いた場合は、そのような相分離は起こらない。 Then, in order to form a silica outer shell, a precursor thereof is added to cause an outer shell forming reaction. As the precursor of the silica outer shell, an alkoxide such as silicon tetramethoxydo, silicon tetraethoxydo (TEOS), or silicon tetrapropoxide, or an alkoxide in which the alkoxy group is partially changed to another functional group can also be used. can. Other functional groups include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an aminopropyl group, a mercapto group and the like. Further, sodium silicate (water glass) can also be used as the silica precursor. However, in that case, it is necessary to control the pH in the range of 12 to 14 to reduce the reactivity of the water glass. At this point, some alkoxides such as TEOS do not dissolve in water, so the solution is in a state of being separated into two layers (the lower layer is the aqueous solution phase and the upper layer is the silica precursor phase). When a hydrophilic solvent is used instead of water or a hydrophilic alkoxide is used as the solvent, such phase separation does not occur.

なお、シリカ以外のアルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシアなどからなる外殻を形成させる場合の前駆体としては、シリカの場合と同様のアルコキシドを用いることができる。例えば、アルミニウムプロポキシド、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムブトキシド、ジルコニウムイソプロポキシド、ジルコニウムブトキシド、チタニウムイソプロポキシド、チタニウムブトキシド、マグネシウムエトキシド、マグネシウムメトキシドなどを用いることができる。また、マグネシアの前駆体として塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウムなどの塩も用いることもできる。また、酸化イットリウム、酸化タングステン、酸化セリウム、酸化ランタンの前駆体には、各金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、あるいは無機酸およびそのアンモニウム塩などを用いることができる。たとえば、塩化イットリウム、硝酸イットリウム、硫酸イットリウム、タングステン酸、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、塩化セリウム、硝酸セリウム、硫酸セリウム、塩化ランタン、硝酸ランタン、硫酸ランタンなどである。 As a precursor for forming an outer shell made of alumina, zirconia, titania, magnesia, etc. other than silica, the same alkoxide as in the case of silica can be used. For example, aluminum propoxide, aluminum isopropoxide, aluminum butoxide, zirconium isopropoxide, zirconium butoxide, titanium isopropoxide, titanium butoxide, magnesium ethoxydo, magnesium methoxyd and the like can be used. Further, salts such as magnesium chloride, magnesium nitrate and magnesium sulfate can also be used as precursors of magnesia. Further, as the precursor of yttrium oxide, tungsten oxide, cerium oxide and lanthanum oxide, chlorides, nitrates, sulfates, inorganic acids and ammonium salts thereof of each metal can be used. For example, yttrium chloride, yttrium nitrate, yttrium sulfate, tungstic acid, ammonium tungstate, sodium tungstate, cerium chloride, cerium nitrate, cerium sulfate, lanthanum chloride, lanthanum nitrate, lanthanum sulfate and the like.

上記シリカ前駆体の添加後、好ましくは溶液を加温した状態で攪拌を行う。これにより、水溶液相にわずかに溶解しているシリカ前駆体が、上記塩基触媒の存在下でシリカ生成反応(加水分解・縮合反応)を起こす。この反応が進行するにつれて、水溶液相に存在するシリカ前駆体が消費されることから、シリカ前駆体相から水溶液相へとシリカ前駆体が継続的に供給され、すべてのシリカ前駆体が消費されるまでシリカ化(加水分解・縮合)反応が進行する。 After the addition of the silica precursor, stirring is preferably performed with the solution warmed. As a result, the silica precursor slightly dissolved in the aqueous phase causes a silica formation reaction (hydrolysis / condensation reaction) in the presence of the above-mentioned base catalyst. As this reaction progresses, the silica precursor present in the aqueous phase is consumed, so that the silica precursor is continuously supplied from the silica precursor phase to the aqueous phase, and all the silica precursors are consumed. Silicaization (hydrolysis / condensation) reaction proceeds until.

シリカ外殻が形成された後、シリカ被覆された第1の金属の粒子を溶液から分離する目的で、遠心分離処理を行う。その後、分離されたシリカ被覆金属粒子に付着した塩基触媒や未反応のシラン化合物を除去する目的で、当該粒子を2-プロパノール等の溶媒で1回または複数回洗浄してもよい。その後、例えば一晩程度真空乾燥を行い、さらに空気中、100~500℃の温度で0.5~12時間焼成することが好ましい。これにより、シリカ被覆金属粒子に残留している溶媒を除去するとともに、シリカ化反応を完全に進行させることができる。このようにして、第1の金属の粒子の表面が無機多孔質体(金属酸化物)であるシリカで被覆されてなる複合粒子が得られる。 After the silica outer shell is formed, a centrifugation treatment is performed for the purpose of separating the silica-coated first metal particles from the solution. Then, the particles may be washed once or multiple times with a solvent such as 2-propanol for the purpose of removing the base catalyst and the unreacted silane compound adhering to the separated silica-coated metal particles. Then, for example, it is preferably vacuum dried overnight and then calcined in the air at a temperature of 100 to 500 ° C. for 0.5 to 12 hours. As a result, the solvent remaining on the silica-coated metal particles can be removed, and the silica-forming reaction can be completely proceeded. In this way, composite particles are obtained in which the surface of the first metal particles is coated with silica, which is an inorganic porous body (metal oxide).

続いて、上記で得られた複合粒子(シリカ被覆金属粒子)に対し、第2の金属の原料として、当該金属の塩(例えば、硝酸塩、塩酸塩など)を含む水溶液を、必要に応じて追加の水とともに添加する。次いで、この溶液を70~100℃に加温した状態で数時間~数十時間程度含浸処理を施して、シリカの有する細孔の内部に、第2の金属のイオンを侵入させる。その後、例えば一晩真空乾燥を行い、水素中、300~500℃にて0.5~4時間焼成を行う。焼成時の雰囲気ガスとしては、空気あるいは不活性ガスを用いることもできるが、その場合は、焼成後に改めて同様の温度と時間で水素で還元する必要がある。これにより、第2の金属の前駆体が金属へと還元され、図3に示す実施形態の発熱材料を製造することができる。 Subsequently, an aqueous solution containing a salt of the metal (for example, nitrate, hydrochloride, etc.) is added as a raw material of the second metal to the composite particles (silica-coated metal particles) obtained above, if necessary. Add with water. Next, the solution is impregnated for several hours to several tens of hours while being heated to 70 to 100 ° C. to allow ions of the second metal to penetrate into the pores of silica. Then, for example, it is vacuum dried overnight and calcined in hydrogen at 300 to 500 ° C. for 0.5 to 4 hours. Air or an inert gas can be used as the atmospheric gas at the time of firing, but in that case, it is necessary to reduce the atmosphere gas with hydrogen again at the same temperature and time after firing. As a result, the precursor of the second metal is reduced to the metal, and the heat generating material of the embodiment shown in FIG. 3 can be produced.

次に、外殻体を用いない場合の発熱材料の製造方法を以下に簡単に説明する。この製造方法では、まず、第1の金属(例えば、アルミニウム(Al))粉末と第2の金属(例えば、ニッケル(Ni))粉末を準備する。金属の形状は必ずしも粉末である必要はないが、均一に混ぜる上では、粉末形状であることが望ましい。2種類の粉末を所望の比率で秤量し、乳鉢等にそれぞれ加え、乳棒等混合する。乳鉢、乳棒等の材質は、メノウ製、アルミナ製等どのような材質のものでも構わない。 Next, a method for manufacturing a heat-generating material without using an outer shell will be briefly described below. In this manufacturing method, first, a first metal (for example, aluminum (Al)) powder and a second metal (for example, nickel (Ni)) powder are prepared. The shape of the metal does not necessarily have to be a powder, but it is desirable to have a powder shape for uniform mixing. Weigh the two types of powder in the desired ratio, add them to a mortar and pestle, and mix them with a pestle and the like. The material of the mortar, pestle, etc. may be any material such as agate and alumina.

続いて、上記で得られた複合粒子に対し、熱処理を加えて合金化させる。必ずしも事前に合金化させる必要はなく、発熱材料を発熱させるための昇温中に合金化してもよい。合金化させる方法は熱処理だけに限らず、化学的な合金メッキでもよく、ボールミル装置を利用して機械的に混合するメカニカルアロイングでもよい。 Subsequently, the composite particles obtained above are heat-treated to be alloyed. It is not always necessary to alloy in advance, and the heating material may be alloyed during heating to generate heat. The method of alloying is not limited to heat treatment, but may be chemical alloy plating or mechanical alloying in which mechanical mixing is performed using a ball mill device.

合金化後に合金の粒子径が大きくなった場合は、粉砕するなどして粒子径を小さくしてもよい。 If the particle size of the alloy becomes large after alloying, the particle size may be reduced by pulverization or the like.

[発熱材料の用途(発熱システム)]
上述した形態に係る発熱材料は、熱を利用する種々の用途に適用可能な発熱システムとして用いることができる。すなわち、本発明の他の形態によれば、上述した形態に係る発熱材料が配置された発熱装置と、前記発熱材料を加熱するヒーターと、前記発熱材料に対して水素ガスを供給する水素ガス供給装置とを備えた、発熱システムもまた、提供される。さらには、上述した形態に係る発熱材料を、水素ガスの存在下、前記第1の金属の融点以上、前記第2の金属の融点未満の温度に加熱することにより、前記発熱材料を発熱させることを含む、熱供給方法もまた、提供される。
[Use of heat-generating material (heat-generating system)]
The heat generating material according to the above-described embodiment can be used as a heat generating system applicable to various uses using heat. That is, according to another embodiment of the present invention, a heat generating device in which the heat generating material according to the above-described embodiment is arranged, a heater for heating the heat generating material, and a hydrogen gas supply for supplying hydrogen gas to the heat generating material. A heat generation system with a device is also provided. Further, the heat generating material according to the above-described embodiment is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the first metal and lower than the melting point of the second metal in the presence of hydrogen gas to generate heat of the heat generating material. Heat supply methods, including, are also provided.

図3は、本形態に係る発熱システムの概略を示すブロック図である。図3に示すように、発熱システムの使用時(熱の供給時)においては、発熱装置に配置された発熱材料に対して、水素ガス供給装置が水素ガスを供給している。また、ヒーターは、発熱装置に配置された発熱材料を加熱している。この際の加熱温度は、第2の金属の融点未満の温度であるが、第1の金属の融点以上であることが好ましい。一例として、「第1の金属-第2の金属」の組み合わせがアルミニウム-ニッケルである場合、加熱温度は1455℃未満であり、好ましくは660.3℃よりも高い温度である。また、この組み合わせがスズ-チタンである場合、加熱温度は1668℃未満であり、好ましくは231.9℃よりも高い温度である。 FIG. 3 is a block diagram showing an outline of the heat generation system according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, when the heat generating system is used (when heat is supplied), the hydrogen gas supply device supplies hydrogen gas to the heat generating material arranged in the heat generating device. Further, the heater heats the heat generating material arranged in the heat generating device. The heating temperature at this time is a temperature lower than the melting point of the second metal, but is preferably higher than the melting point of the first metal. As an example, when the "first metal-second metal" combination is aluminum-nickel, the heating temperature is less than 1455 ° C, preferably higher than 660.3 ° C. Further, when this combination is tin-titanium, the heating temperature is less than 1668 ° C, preferably higher than 231.9 ° C.

発熱システムの使用時(熱の供給時)において、発熱装置に配置された発熱材料は、水素ガス(H)の存在下で上記加熱温度に加熱されることにより、非常に大きな発熱量を外部に放出する。このようにして発熱材料から放出された大量の熱は、発熱システムの外部に位置する熱消費部に供給される。なお、本発明に係る発熱材料が非常に大量の熱(過剰熱)を発生しうるメカニズムは完全には明らかとはなっていない。ただし、後述する実施例の欄において水素TPR法(昇温還元法)により昇温時における発熱材料(1)による水素吸蔵反応のプロファイルを調べた結果から、発熱材料(1)をアルミニウム(Al)の融点よりも高い温度に加熱した際に見られる大きな発熱は、水素吸蔵反応の際の水素吸蔵熱とは異なるものであることが示唆されている。本発明に係る発熱材料による大量の発熱は水素ガス(H)の存在下でのみ生じることから、本発明者らは、上記発熱のメカニズムとして、水素化物合金の相転移の繰り返しによって水素の吸蔵および脱蔵が繰り返される結果、上述したような大量の発熱が生じるものと推測している。When the heat generation system is used (when heat is supplied), the heat generation material arranged in the heat generation device is heated to the above heating temperature in the presence of hydrogen gas (H 2 ), so that a very large amount of heat generation is externally generated. Release to. The large amount of heat released from the heat generating material in this way is supplied to the heat consuming unit located outside the heat generating system. The mechanism by which the heat-generating material according to the present invention can generate a very large amount of heat (excessive heat) has not been completely clarified. However, from the result of examining the profile of the hydrogen storage reaction by the heat generating material (1) at the time of raising the temperature by the hydrogen TPR method (heating reduction method) in the column of Examples described later, the heat generating material (1) is made of aluminum (Al). It is suggested that the large heat generated when heated to a temperature higher than the melting point of the hydrogen storage reaction is different from the heat of hydrogen storage in the hydrogen storage reaction. Since a large amount of heat generated by the heat generating material according to the present invention occurs only in the presence of hydrogen gas (H 2 ), the present inventors occlude hydrogen by repeating the phase transition of the hydride alloy as the mechanism of the heat generation. And as a result of repeated occlusion, it is presumed that a large amount of heat generation as described above will occur.

ここで、発熱材料が配置された発熱装置は、任意の構成を有することができ、例えば発熱材料(特に粒子状の発熱材料)を保持する容器でありうる。また、発熱装置は、発熱材料と水素ガス(H)との接触面積を大きくするために、セラミックハニカムまたはメタルハニカムのようなハニカム構造を有し、ハニカムセルの流路表面に発熱材料を保持することもできる。Here, the heat generating device in which the heat generating material is arranged can have an arbitrary configuration, and may be, for example, a container for holding the heat generating material (particularly, a particulate heat generating material). Further, the heat generating device has a honeycomb structure such as a ceramic honeycomb or a metal honeycomb in order to increase the contact area between the heat generating material and hydrogen gas (H 2 ), and holds the heat generating material on the flow path surface of the honeycomb cell. You can also do it.

発熱装置で発生する熱を熱消費部に供給するためには、発熱装置と熱消費部とを熱的に結合することができる。この場合、伝熱によって発熱装置から熱消費部に熱を供給すること、暖められたガスを介して発熱装置から熱消費部に熱を供給すること、熱媒体を用いて発熱装置から熱消費部に熱を供給すること等ができる。流体である熱媒体を用いる場合、発熱装置は、熱交換器として一般に採用される形状を有することができる。すなわち発熱装置は、発熱材料が配置され、水素ガス(H)が流通するようにされた流路と、熱媒体が流通するようにされた流路とを有することができる。なお、熱媒体としては、冷却水などの加熱対象物そのものを用いることもできる。In order to supply the heat generated by the heat generating device to the heat consuming unit, the heat generating device and the heat consuming unit can be thermally coupled. In this case, heat is supplied from the heat generating device to the heat consuming part by heat transfer, heat is supplied from the heat generating device to the heat consuming part through the heated gas, and the heat consuming part is supplied from the heat generating part using a heat medium. Can supply heat to the. When a heat medium that is a fluid is used, the heat generating device can have a shape generally adopted as a heat exchanger. That is, the heat generating device can have a flow path in which the heat generating material is arranged and the hydrogen gas (H 2 ) is circulated, and a flow path in which the heat medium is circulated. As the heat medium, a heating object itself such as cooling water can also be used.

水素ガス供給装置は、水素ガスを供給する任意の装置、例えば水素ガスを保持しているタンク、水素ガス(H)を外部から得て発熱材料に供給するためのポンプおよび配管等を備えることができる。この水素ガス(H)は、発熱装置に配置された発熱材料が加熱された際に当該発熱材料に吸蔵されて発熱反応を生じさせるためのものである。水素ガス(H)は水素ガスの状態でタンクに保持されていてもよいし、例えばメタノールやバイオマスの改質によって随時生成するガスであってもよい。The hydrogen gas supply device shall be provided with any device for supplying hydrogen gas, for example, a tank holding hydrogen gas, a pump and piping for obtaining hydrogen gas (H 2 ) from the outside and supplying it to a heat generating material. Can be done. This hydrogen gas (H 2 ) is for causing an exothermic reaction by being occluded by the exothermic material when the exothermic material arranged in the exothermic apparatus is heated. The hydrogen gas (H 2 ) may be held in the tank in the state of hydrogen gas, or may be a gas generated at any time by, for example, reforming of methanol or biomass.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1および実施例2]
以下の手法により、発熱材料(1)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
[Example 1 and Example 2]
The heat generating material (1) was prepared by the following method, and the differential scanning calorimetry (DSC) was measured.

(発熱材料(1)の調製)
まず、第1の金属として、アルミニウム(Al)(融点:660.3℃)粉末(純度99.5%)を準備した。また、第2の金属として、ニッケル(Ni)(融点:1455℃)粉末を準備した。このアルミニウム(Al)粉末20mgと、ニッケル(Ni)粉末20mgとを秤量し、乳鉢および乳棒を用いて1~2分間混合して、金属粉末の混合物の状態の発熱材料(1)を調製した。
(Preparation of heat generating material (1))
First, aluminum (Al) (melting point: 660.3 ° C.) powder (purity 99.5%) was prepared as the first metal. In addition, nickel (Ni) (melting point: 1455 ° C.) powder was prepared as the second metal. 20 mg of this aluminum (Al) powder and 20 mg of nickel (Ni) powder were weighed and mixed for 1 to 2 minutes using a mortar and pestle to prepare a heat-generating material (1) in the state of a mixture of metal powders.

(発熱材料(1)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(1)について、下記の測定条件により、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
・DSC測定条件
試料量 :40mg
昇温範囲:室温~800℃
昇温速度:5℃/min
ガス流量:H 120mL/min、He 120mL/min
保持温度:250~800℃
保持時間:2時間
・DSC測定の手順
測定前日以前に、下記と同じ手順で空試料でのベースライン測定を行った;
前処理として,10-3Pa以下になるまで真空脱気を行った(所要時間は2~3);
HeまたはH気流中で室温から所定温度まで昇温し、その温度で保持する測定を実施した。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (1))
For the heat generating material (1) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the conditions of hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow under the following measurement conditions.
・ DSC measurement conditions Sample amount: 40 mg
Temperature range: Room temperature to 800 ° C
Temperature rise rate: 5 ° C / min
Gas flow rate: H 2 120 mL / min, He 120 mL / min
Holding temperature: 250-800 ° C
Retention time: 2 hours-Procedure for DSC measurement Prior to the day before measurement, baseline measurement was performed on an empty sample using the same procedure as below;
As a pretreatment, vacuum degassing was performed until it became 10 -3 Pa or less (required time is 2 to 3);
A measurement was carried out in which the temperature was raised from room temperature to a predetermined temperature in a He or H 2 air flow and maintained at that temperature.

このDSC測定の結果を図5Aおよび図5Bにそれぞれ示す。ここで、図5Aおよび図5Bは、DSC測定の際の保持温度を、アルミニウム(Al)の融点よりも高くニッケル(Ni)の融点未満である700℃(図5A)または800℃(図5B)にそれぞれ設定して行った測定の結果を示すグラフである。なお、このようなDSC測定を行った発熱材料(1)は、昇温の過程で図1および図2に示すような構成を有するようになったものと考えられる。 The results of this DSC measurement are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively. Here, FIGS. 5A and 5B show that the holding temperature during the DSC measurement is 700 ° C. (FIG. 5A) or 800 ° C. (FIG. 5B), which is higher than the melting point of aluminum (Al) and lower than the melting point of nickel (Ni). It is a graph which shows the result of the measurement performed by setting each of. It is considered that the heat generating material (1) obtained by such DSC measurement has a structure as shown in FIGS. 1 and 2 in the process of raising the temperature.

図5Aおよび図5Bに示すように、発熱材料(1)の温度を700℃または800℃まで上げた場合には、Hフローの場合にHeフローの場合と比較して非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)が継続的に確認された。すなわち、発熱材料(1)は、第2の金属であるニッケル(Ni)の融点未満の温度において、これらの金属が水素ガス(H)と接触することにより非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に示す材料であることが確認された。なお、本測定における保持時間の間に発生した過剰熱(Δ)は、保持温度700℃の場合(図5A)にはΔ=66.5[mW/g発熱材料]であり、保持温度800℃の場合(図5B)にはΔ=176[mW/g発熱材料]であった。これらの結果を下記の表1にも示す。As shown in FIGS. 5A and 5B, when the temperature of the heat generating material (1) is raised to 700 ° C. or 800 ° C., a very large heat generation phenomenon (in the case of H 2 flow as compared with the case of He flow) ( (Generation of excess heat) was continuously confirmed. That is, the heat generating material (1) has a very large heat generation phenomenon (excessive heat) due to the contact of these metals with hydrogen gas (H 2 ) at a temperature lower than the melting point of the second metal, nickel (Ni). It was confirmed that it is a material that continuously indicates (occurrence). The excess heat (Δ) generated during the holding time in this measurement is Δ = 66.5 [mW / g heat generating material] when the holding temperature is 700 ° C. (FIG. 5A), and the holding temperature is 800 ° C. In the case of (FIG. 5B), Δ = 176 [mW / g heat generating material]. These results are also shown in Table 1 below.

なお、上記で調製した発熱材料(1)について、水素TPR法(昇温還元法)により、昇温時における発熱材料(1)による水素吸蔵反応のプロファイルを調べた。結果を図6に示す。 Regarding the heat-generating material (1) prepared above, the profile of the hydrogen storage reaction by the heat-generating material (1) at the time of temperature rise was investigated by the hydrogen TPR method (heating reduction method). The results are shown in FIG.

図6に示すように、300~600℃の範囲において発熱材料(1)は水素吸蔵反応を起こしたが、700℃超の領域においては水素吸蔵反応の進行は確認されなかった。このことから、発熱材料(1)を加熱した際に見られる大きな発熱は、水素吸蔵反応の際の水素吸蔵熱とは異なるものであることが示唆された。 As shown in FIG. 6, the exothermic material (1) caused a hydrogen storage reaction in the range of 300 to 600 ° C., but the progress of the hydrogen storage reaction was not confirmed in the region above 700 ° C. From this, it was suggested that the large heat generated when the heat generating material (1) was heated was different from the hydrogen storage heat during the hydrogen storage reaction.

[実施例3]
以下の手法により、発熱材料(2)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
[Example 3]
The heat generating material (2) was prepared by the following method, and the differential scanning calorimetry (DSC) was measured.

(発熱材料(2)の調製)
アルミニウム(Al)粉末に代えて、ジルコニウム(Zr)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(2)を調製した。ここで、ジルコニウム(Zr)の融点は1855℃であることから、発熱材料(2)においてはニッケル(Ni)が第1の金属であり、ジルコニウム(Zr)が第2の金属である。
(Preparation of heat generating material (2))
The heat generating material (2) was prepared by the same method as in Example 1 described above, except that the zirconium (Zr) powder was used instead of the aluminum (Al) powder. Here, since the melting point of zirconium (Zr) is 1855 ° C., nickel (Ni) is the first metal and zirconium (Zr) is the second metal in the heat generating material (2).

(発熱材料(2)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(2)について、保持温度を700℃から450℃にしたこと以外は、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (2))
For the heat generating material (2) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the same measurement conditions as in Example 1 described above, except that the holding temperature was changed from 700 ° C. to 450 ° C.

発熱材料(2)の温度を(Zr)の融点未満である700℃まで上げた場合には、Hフローの場合にHeフローの場合と比較して非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)が継続的に確認された。すなわち、発熱材料(2)もまた、第2の金属であるジルコニウム(Zr)の融点未満の温度において、これらの金属が水素ガス(H)と接触することにより非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に示す材料であることが確認された。なお、本測定における保持時間の間に発生した過剰熱(Δ)は、Δ=13[mW/g発熱材料]であった。When the temperature of the heat generating material (2) is raised to 700 ° C., which is lower than the melting point of (Zr), the heat generation phenomenon (generation of excess heat) is very large in the case of H 2 flow as compared with the case of He flow. Was continuously confirmed. That is, the heat generating material (2) also has a very large heat generation phenomenon (excess heat) due to contact of these metals with hydrogen gas (H 2 ) at a temperature below the melting point of the second metal, zirconium (Zr). It was confirmed that it is a material that continuously indicates (occurrence). The excess heat (Δ) generated during the holding time in this measurement was Δ = 13 [mW / g heat generating material].

[実施例4]
以下の手法により、発熱材料(3)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
[Example 4]
The heat generating material (3) was prepared by the following method, and the differential scanning calorimetry (DSC) was measured.

(発熱材料(3)の調製)
ニッケル(Ni)粉末に代えて、チタン(Ti)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(3)を調製した。ここで、チタン(Ti)の融点は1668℃であることから、発熱材料(3)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、チタン(Ti)が第2の金属である。
(Preparation of heat generating material (3))
The heat generating material (3) was prepared by the same method as in Example 1 described above, except that titanium (Ti) powder was used instead of nickel (Ni) powder. Here, since the melting point of titanium (Ti) is 1668 ° C., aluminum (Al) is the first metal and titanium (Ti) is the second metal in the heat generating material (3).

(発熱材料(3)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(3)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (3))
For the heat generating material (3) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the same measurement conditions as in Example 1 described above.

発熱材料(3)の温度をチタン(Ti)の融点未満である700℃まで上げた場合には、Hフローの場合にHeフローの場合と比較して非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)が継続的に確認された。すなわち、発熱材料(3)もまた、第2の金属であるチタン(Ti)の融点未満の温度において、これらの金属が水素ガス(H)と接触することにより非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に示す材料であることが確認された。なお、本測定における保持時間の間に発生した過剰熱(Δ)は、Δ=36[mW/g発熱材料]であった。When the temperature of the heat generating material (3) is raised to 700 ° C., which is lower than the melting point of titanium (Ti), a very large heat generation phenomenon (excess heat generation) occurs in the case of H 2 flow as compared with the case of He flow. ) Was continuously confirmed. That is, the heat generating material (3) also has a very large heat generation phenomenon (excess heat) due to contact of these metals with hydrogen gas (H 2 ) at a temperature below the melting point of titanium (Ti), which is a second metal. It was confirmed that it is a material that continuously indicates (occurrence). The excess heat (Δ) generated during the holding time in this measurement was Δ = 36 [mW / g heat generating material].

[実施例5]
以下の手法により、発熱材料(4)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
[Example 5]
The heat generating material (4) was prepared by the following method, and the differential scanning calorimetry (DSC) was measured.

(発熱材料(4)の調製)
アルミニウム(Al)粉末に代えて、スズ(Sn)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、発熱材料(4)を調製した。ここで、チタン(Ti)の融点は1668℃であることから、発熱材料(4)においてはスズ(Sn)が第1の金属であり、チタン(Ti)が第2の金属である。
(Preparation of heat generating material (4))
The heat generating material (4) was prepared by the same method as in Example 4 described above, except that tin (Sn) powder was used instead of the aluminum (Al) powder. Here, since the melting point of titanium (Ti) is 1668 ° C., tin (Sn) is the first metal and titanium (Ti) is the second metal in the heat generating material (4).

(発熱材料(4)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(4)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (4))
For the heat generating material (4) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the same measurement conditions as in Example 1 described above.

発熱材料(4)の温度をチタン(Ti)の融点未満である700℃まで上げた場合には、Hフローの場合にHeフローの場合と比較して非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)が継続的に確認された。すなわち、発熱材料(4)もまた、第2の金属であるチタン(Ti)の融点未満の温度において、これらの金属が水素ガス(H)と接触することにより非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に示す材料であることが確認された。なお、本測定における保持時間の間に発生した過剰熱(Δ)は、Δ=50[mW/g発熱材料]であった。When the temperature of the heat generating material (4) is raised to 700 ° C., which is lower than the melting point of titanium (Ti), a very large heat generation phenomenon (excess heat generation) occurs in the case of H 2 flow as compared with the case of He flow. ) Was continuously confirmed. That is, the heat generating material (4) also has a very large heat generation phenomenon (excess heat) due to contact of these metals with hydrogen gas (H 2 ) at a temperature below the melting point of titanium (Ti), which is a second metal. It was confirmed that it is a material that continuously indicates (occurrence). The excess heat (Δ) generated during the holding time in this measurement was Δ = 50 [mW / g heat generating material].

[実施例6]
以下の手法により、発熱材料(5)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
[Example 6]
The heat generating material (5) was prepared by the following method, and the differential scanning calorimetry (DSC) was measured.

(発熱材料(5)の調製)
チタン(Ti)粉末に代えて、マンガン(Mn)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、発熱材料(5)を調製した。ここで、マンガン(Mn)の融点は1246℃であることから、発熱材料(5)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、マンガン(Mn)が第2の金属である。
(Preparation of heat generating material (5))
The heat generating material (5) was prepared by the same method as in Example 4 described above, except that manganese (Mn) powder was used instead of titanium (Ti) powder. Here, since the melting point of manganese (Mn) is 1246 ° C., aluminum (Al) is the first metal and manganese (Mn) is the second metal in the heat generating material (5).

(発熱材料(5)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(5)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (5))
For the heat generating material (5) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the same measurement conditions as in Example 1 described above.

発熱材料(5)の温度をマンガン(Mn)の融点未満である700℃まで上げた場合には、Hフローの場合にHeフローの場合と比較して非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)が継続的に確認された。すなわち、発熱材料(5)もまた、第2の金属であるマンガン(Mn)の融点未満の温度において、これらの金属が水素ガス(H)と接触することにより非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に示す材料であることが確認された。なお、本測定における保持時間の間に発生した過剰熱(Δ)は、Δ=60[mW/g発熱材料]であった。When the temperature of the heat-generating material (5) is raised to 700 ° C., which is lower than the melting point of manganese (Mn), a very large heat generation phenomenon (excess heat generation) occurs in the case of H 2 flow as compared with the case of He flow. ) Was continuously confirmed. That is, the heat generating material (5) also has a very large heat generation phenomenon (excess heat) due to contact of these metals with hydrogen gas (H 2 ) at a temperature below the melting point of the second metal, manganese (Mn). It was confirmed that it is a material that continuously indicates (occurrence). The excess heat (Δ) generated during the holding time in this measurement was Δ = 60 [mW / g heat generating material].

[実施例7]
以下の手法により、発熱材料(6)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
[Example 7]
The heat generating material (6) was prepared by the following method, and the differential scanning calorimetry (DSC) was measured.

(発熱材料(6)の調製)
マンガン(Mn)粉末に代えて、カルシウム(Ca)粉末を用いたこと以外は、上述した実施例6と同様の手法により、発熱材料(6)を調製した。ここで、カルシウム(Ca)の融点は842℃であることから、発熱材料(6)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、カルシウム(Ca)が第2の金属である。
(Preparation of heat generating material (6))
The heat generating material (6) was prepared by the same method as in Example 6 described above, except that calcium (Ca) powder was used instead of manganese (Mn) powder. Here, since the melting point of calcium (Ca) is 842 ° C., aluminum (Al) is the first metal and calcium (Ca) is the second metal in the heat generating material (6).

(発熱材料(6)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(6)について、保持温度を700℃から600℃に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (6))
For the heat generating material (6) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the same measurement conditions as in Example 1 described above, except that the holding temperature was changed from 700 ° C. to 600 ° C.

発熱材料(6)の温度をカルシウム(Ca)の融点未満である600℃まで上げた場合には、Hフローの場合にHeフローの場合と比較して非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)が継続的に確認された。すなわち、発熱材料(6)もまた、第2の金属であるカルシウム(Ca)の融点未満の温度において、これらの金属が水素ガス(H)と接触することにより非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に示す材料であることが確認された。なお、本測定における保持時間の間に発生した過剰熱(Δ)は、Δ=105[mW/g発熱材料]であった。When the temperature of the heat generating material (6) is raised to 600 ° C., which is lower than the melting point of calcium (Ca), a very large heat generation phenomenon (excess heat generation) occurs in the case of H 2 flow as compared with the case of He flow. ) Was continuously confirmed. That is, the heat generating material (6) also has a very large heat generation phenomenon (excess heat) due to contact of these metals with hydrogen gas (H 2 ) at a temperature below the melting point of calcium (Ca), which is a second metal. It was confirmed that it is a material that continuously indicates the occurrence of calcium. The excess heat (Δ) generated during the holding time in this measurement was Δ = 105 [mW / g heat generating material].

[実施例8]
以下の手法により、発熱材料(7)を調製し、示差走査熱量(DSC)測定を行った。
[Example 8]
The heat generating material (7) was prepared by the following method, and the differential scanning calorimetry (DSC) was measured.

(発熱材料(7)の調製)
まず、第1の金属として、アルミニウム(Al)(融点:660.3℃)粉末(純度99.5%)を準備した。このアルミニウム(Al)粉末0.50gに、溶媒として蒸留水25mLを添加した。次いで、後述するシリカ化(加水分解・縮合)反応の触媒としてトリエチルアミン84μLを添加し、10分間撹拌して液相部を均一にした。
(Preparation of heat generating material (7))
First, aluminum (Al) (melting point: 660.3 ° C.) powder (purity 99.5%) was prepared as the first metal. To 0.50 g of this aluminum (Al) powder, 25 mL of distilled water was added as a solvent. Next, 84 μL of triethylamine was added as a catalyst for the silicification (hydrolysis / condensation) reaction described later, and the mixture was stirred for 10 minutes to make the liquid phase portion uniform.

その後、APTES((3-アミノプロピル)トリエトキシシラン)を83μL添加し、溶液を60℃に加温して、さらに30分間撹拌した。これにより、アルミニウム(Al)単体の粒子の表面にAPTESを吸着させた。 Then, 83 μL of APTES ((3-aminopropyl) triethoxysilane) was added, the solution was heated to 60 ° C., and the mixture was further stirred for 30 minutes. As a result, APTES was adsorbed on the surface of the particles of aluminum (Al) alone.

次いで、テトラエトキシシラン(TEOS)5mLを添加した。この時点で、TEOSは水に溶解しないことから、溶液は2層に分離した状態(下層が水溶液相、上層がTEOS相)となっていた。 Then 5 mL of tetraethoxysilane (TEOS) was added. At this point, since TEOS was insoluble in water, the solution was in a state of being separated into two layers (the lower layer was the aqueous solution phase and the upper layer was the TEOS phase).

TEOSの添加後、溶液を60℃に加温した状態で2時間撹拌を行った。これにより、水溶液相にわずかに溶解しているTEOSとAPTESとが、上記触媒の存在下でシリカ化(加水分解・縮合)反応を起こした。この反応が進行するにつれて、水溶液相に存在するTEOSが消費されることから、TEOS相から水溶液相へとTEOSが継続的に供給され、すべてのTEOSが消費されるまでシリカ化(加水分解・縮合)反応が進行した。 After the addition of TEOS, the solution was stirred at 60 ° C. for 2 hours. As a result, TEOS and APTES, which are slightly dissolved in the aqueous phase, undergo a silicification (hydrolysis / condensation) reaction in the presence of the above catalyst. As this reaction progresses, the TEOS present in the aqueous phase is consumed, so the TEOS is continuously supplied from the TEOS phase to the aqueous phase, and silicification (hydrolysis / condensation) is performed until all the TEOS are consumed. ) The reaction proceeded.

シリカ化反応の終了後、シリカ被覆されたアルミニウム(Al)粒子を溶液から分離する目的で、遠心分離処理(2000rpm、15分間)を行った。そして、分離されたシリカ被覆Al粒子に付着したトリエチルアミンおよび未反応のシリカ原料を除去する目的で、当該粒子を2-プロパノールで3回洗浄した。その後、12時間かけて真空乾燥を行った後、空気中、350℃にて1時間焼成することにより、シリカ被覆Al粒子に残留していた2-プロパノールを除去するとともに、シリカ化反応を完全に進行させた。このようにして、Al粒子の表面が無機多孔質体(金属酸化物)であるシリカで被覆されてなる複合粒子を得た。 After completion of the silicification reaction, centrifugation (2000 rpm, 15 minutes) was performed for the purpose of separating the silica-coated aluminum (Al) particles from the solution. Then, the particles were washed with 2-propanol three times for the purpose of removing triethylamine and unreacted silica raw materials adhering to the separated silica-coated Al particles. Then, after vacuum drying for 12 hours, 2-propanol remaining in the silica-coated Al particles was removed by firing in air at 350 ° C. for 1 hour, and the silica-forming reaction was completely carried out. I made it progress. In this way, composite particles were obtained in which the surface of the Al particles was coated with silica, which is an inorganic porous body (metal oxide).

続いて、上記で得られた複合粒子(シリカ被覆Al粒子)0.2812gに対し、水素吸蔵能を有する第2の金属であるニッケルを含有する化合物である硝酸ニッケル(Ni(NO)の1mol/L水溶液2.095mLおよび蒸留水1mLを加えた。次いで、この溶液を70~100℃に加温した状態で一晩含浸処理を施して、シリカの有する細孔の内部にニッケルイオン(Ni2+)を侵入させた。その後、12時間かけて真空乾燥を行った後、水素気流中、350℃にて1時間焼成を行った。これにより、ニッケルイオン(Ni2+)をニッケル(Ni)単体(融点:1455℃)へと還元して、発熱材料(7)を調製した。Subsequently, nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 ), which is a compound containing nickel, which is a second metal having hydrogen storage capacity, with respect to 0.2812 g of the composite particles (silica-coated Al particles) obtained above. 2.095 mL of a 1 mol / L aqueous solution and 1 mL of distilled water were added. Next, the solution was impregnated overnight with the solution heated to 70 to 100 ° C. to allow nickel ions (Ni 2+ ) to penetrate into the pores of silica. Then, after vacuum drying for 12 hours, firing was performed at 350 ° C. for 1 hour in a hydrogen stream. As a result, nickel ions (Ni 2+ ) were reduced to a simple substance of nickel (Ni) (melting point: 1455 ° C.) to prepare a heat generating material (7).

このようにして調製された発熱材料(7)は、図3に示すような構成を有しているものと考えられる。 It is considered that the heat generating material (7) thus prepared has a structure as shown in FIG.

(発熱材料(7)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(7)について、下記の測定条件により、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
・DSC測定条件
試料量 :40mg
昇温範囲:室温~800℃
昇温速度:5℃/min
ガス流量:H 120mL/min、He 120mL/min
保持温度:250~800℃
保持時間:2時間
・DSC測定の手順
測定前日以前に、下記と同じ手順で空試料でのベースライン測定を行った;
前処理として,10-3Pa以下になるまで真空脱気を行った(所要時間は2~3);
HeまたはH気流中で室温から所定温度まで昇温し、その温度で保持する測定を実施した。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (7))
For the heat generating material (7) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was performed under the conditions of hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow under the following measurement conditions.
・ DSC measurement conditions Sample amount: 40 mg
Temperature range: Room temperature to 800 ° C
Temperature rise rate: 5 ° C / min
Gas flow rate: H 2 120 mL / min, He 120 mL / min
Holding temperature: 250-800 ° C
Retention time: 2 hours-Procedure for DSC measurement Prior to the day before measurement, baseline measurement was performed on an empty sample using the same procedure as below;
As a pretreatment, vacuum degassing was performed until it became 10 -3 Pa or less (required time is 2 to 3);
A measurement was carried out in which the temperature was raised from room temperature to a predetermined temperature in a He or H 2 air flow and maintained at that temperature.

発熱材料(7)の温度をニッケル(Ni)の融点未満である700℃まで上げた場合には、Hフローの場合にHeフローの場合と比較して非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)が継続的に確認された。すなわち、発熱材料(7)もまた、第2の金属であるニッケル(Ni)の融点未満の温度において、これらの金属が水素ガス(H)と接触することにより非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に示す材料であることが確認された。なお、本測定における保持時間の間に発生した過剰熱(Δ)は、Δ=170[mW/g発熱材料]であった。When the temperature of the heat generating material (7) is raised to 700 ° C., which is lower than the melting point of nickel (Ni), a very large heat generation phenomenon (excess heat generation) occurs in the case of H 2 flow as compared with the case of He flow. ) Was continuously confirmed. That is, the heat generating material (7) also has a very large heat generation phenomenon (excess heat) due to contact of these metals with hydrogen gas (H 2 ) at a temperature below the melting point of the second metal, nickel (Ni). It was confirmed that it is a material that continuously indicates (occurrence). The excess heat (Δ) generated during the holding time in this measurement was Δ = 170 [mW / g heat generating material].

[比較例1]
高温における水素吸蔵金属であることが知られているニッケル(Ni)粉末を用いて、上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
[Comparative Example 1]
Using nickel (Ni) powder, which is known to be a hydrogen storage metal at high temperature, hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow conditions under the same measurement conditions as in Example 1 described above. The differential scanning calorimetry (DSC) measurement below was performed.

結果を図7に示す。図7に示すように、ニッケル(Ni)粉末については、温度を700℃まで上げた場合であっても、Hフローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。The results are shown in FIG. As shown in FIG. 7, for the nickel (Ni) powder, even when the temperature was raised to 700 ° C., no larger heat generation phenomenon was confirmed in the case of H 2 flow than in the case of He flow.

[比較例2]
アルミニウム(Al)粉末を用いて、上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。
[Comparative Example 2]
Using aluminum (Al) powder, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was performed under the same measurement conditions as in Example 1 described above under the conditions of hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow.

結果を図8に示す。図8に示すように、アルミニウム(Al)粉末については、温度を700℃まで上げたとしても、Hフローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。The results are shown in FIG. As shown in FIG. 8, for the aluminum (Al) powder, even if the temperature was raised to 700 ° C., no larger heat generation phenomenon was confirmed in the case of H 2 flow than in the case of He flow.

[比較例3]
酸化ジルコニウム(ZrO)粉末を用いて、保持温度を300℃としたこと以外は上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、酸化ジルコニウム(ZrO)の粉末については、温度を300℃まで上げたとしても、Hフローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。
[Comparative Example 3]
Hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow conditions under the same measurement conditions as in Example 1 described above except that the holding temperature was set to 300 ° C. using zirconium oxide (ZrO 2 ) powder. The differential scanning calorific value (DSC) measurement was carried out in. As a result, for the zirconium oxide (ZrO 2 ) powder, even if the temperature was raised to 300 ° C., no larger heat generation phenomenon was confirmed in the case of H 2 flow than in the case of He flow.

[比較例4]
二酸化銀(AgO)粉末を用いて、保持温度を300℃としたこと以外は上述した実施例1と同様の測定条件により、水素ガス(H)フローまたはヘリウムガス(He)フローの条件下における示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、二酸化銀(AgO)の粉末については、温度を300℃まで上げたとしても、Hフローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。
[Comparative Example 4]
Hydrogen gas (H 2 ) flow or helium gas (He) flow conditions under the same measurement conditions as in Example 1 described above except that the holding temperature was set to 300 ° C. using silver dioxide (AgO 2 ) powder. The differential scanning calorimetry (DSC) was measured in. As a result, regarding the powder of silver dioxide (AgO 2 ), even if the temperature was raised to 300 ° C., no larger heat generation phenomenon was confirmed in the case of H 2 flow than in the case of He flow.

[比較例5]
(発熱材料(8)の調製)
第2の金属として、ニッケル(Ni)に代えて、銀(Ag)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(8)を調製した。ここで、アルミニウム(Al)の融点は660.3℃であり、銀(Ag)の融点は961.8℃であることから、発熱材料(8)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、銀(Ag)が第2の金属である。
[Comparative Example 5]
(Preparation of heat generating material (8))
The heat generating material (8) was prepared by the same method as in Example 1 described above, except that silver (Ag) was used instead of nickel (Ni) as the second metal. Here, since the melting point of aluminum (Al) is 660.3 ° C. and the melting point of silver (Ag) is 961.8 ° C., aluminum (Al) is the first metal in the heat generating material (8). Yes, silver (Ag) is the second metal.

(発熱材料(8)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(8)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、発熱材料(8)については、温度を700℃まで上げたとしても、Hフローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。これは、銀(Ag)の水素溶解度が小さすぎるために、十分な量の水素を吸蔵することができなかったことによるものと考えられる。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (8))
For the heat generating material (8) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the same measurement conditions as in Example 1 described above. As a result, with respect to the heat generating material (8), even if the temperature was raised to 700 ° C., no larger heat generation phenomenon was confirmed in the case of H 2 flow than in the case of He flow. It is considered that this is because the hydrogen solubility of silver (Ag) was too small to occlude a sufficient amount of hydrogen.

[比較例6]
(発熱材料(9)の調製)
第2の金属として、ニッケル(Ni)に代えて、銅(Cu)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、発熱材料(9)を調製した。ここで、アルミニウム(Al)の融点は660.3℃であり、銅(Cu)の融点は1085℃であることから、発熱材料(9)においてはアルミニウム(Al)が第1の金属であり、銅(Cu)が第2の金属である。
[Comparative Example 6]
(Preparation of heat generating material (9))
The heat generating material (9) was prepared by the same method as in Example 1 described above, except that copper (Cu) was used instead of nickel (Ni) as the second metal. Here, since the melting point of aluminum (Al) is 660.3 ° C. and the melting point of copper (Cu) is 1085 ° C., aluminum (Al) is the first metal in the heat generating material (9). Copper (Cu) is the second metal.

(発熱材料(9)の示差走査熱量(DSC)測定)
上記で調製された発熱材料(9)について、上述した実施例1と同様の測定条件による示差走査熱量(DSC)測定を実施した。その結果、発熱材料(9)については、温度を700℃まで上げたとしても、Hフローの場合にHeフローの場合よりも大きい発熱現象は確認されなかった。これは、銅の水素溶解度が小さすぎるために、十分な量の水素を吸蔵することができなかったことによるものと考えられる。
(Measurement of differential scanning calorimetry (DSC) of heat generating material (9))
For the heat generating material (9) prepared above, differential scanning calorimetry (DSC) measurement was carried out under the same measurement conditions as in Example 1 described above. As a result, regarding the heat generating material (9), even if the temperature was raised to 700 ° C., no larger heat generation phenomenon was confirmed in the case of H 2 flow than in the case of He flow. It is considered that this is because the hydrogen solubility of copper was too small to occlude a sufficient amount of hydrogen.

Figure 0007093977000001
Figure 0007093977000001

以上の結果をまとめると、本発明に係る発熱材料によれば、水素ガス(H)の存在下において、当該発熱材料を構成する第2の金属の融点未満の温度に当該発熱材料を加熱することで、非常に大きい発熱現象(過剰熱の発生)を継続的に生じさせることができることが判明した。そして、そのメカニズムは単なる水素吸蔵反応の際の水素吸蔵熱では説明がつかないものであることも確認された。このように、本発明に係る発熱材料は、発熱システム等の用途への非常に大きな可能性を秘めた材料であるといえる。Summarizing the above results, according to the heat-generating material according to the present invention, the heat-generating material is heated to a temperature lower than the melting point of the second metal constituting the heat-generating material in the presence of hydrogen gas (H 2 ). As a result, it was found that a very large heat generation phenomenon (generation of excess heat) can be continuously generated. It was also confirmed that the mechanism cannot be explained by the heat of hydrogen storage during a mere hydrogen storage reaction. As described above, it can be said that the heat-generating material according to the present invention has great potential for applications such as heat-generating systems.

本出願は、2018年10月15日に出願された日本特許出願番号2018-194469号に基づいており、その開示内容は、参照により全体として組み入れられている。 This application is based on Japanese Patent Application No. 2018-194469 filed on October 15, 2018, the disclosure of which is incorporated by reference in its entirety.

10 発熱材料、
20 アルミニウム(Al)、
30 ニッケル(Ni)
40 アルミニウム(Al)とニッケル(Ni)との合金、
50 シリカからなる外殻体。
10 Heat-generating material,
20 Aluminum (Al),
30 Nickel (Ni)
40 Alloy of aluminum (Al) and nickel (Ni),
An outer shell made of 50 silica.

Claims (10)

230℃以上の融点を有する第1の金属と、
前記第1の金属よりも高い融点を有する第2の金属と、
を含み、
この際、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方が、前記第2の金属の融点未満の温度で銀よりも大きい水素溶解度を有し、かつ、前記第1の金属または前記第2の金属の少なくとも一方の水素化物が、CaHの標準生成エンタルピー以上の標準生成エンタルピーを有し、
前記第2の金属の融点未満の温度において、前記第1の金属および前記第2の金属が水素ガスと接触することにより発熱する、発熱材料(ただし、ランタンを含むものを除く)。
A first metal having a melting point of 230 ° C or higher,
A second metal having a melting point higher than that of the first metal,
Including
At this time, at least one of the first metal or the second metal has a hydrogen solubility higher than that of silver at a temperature lower than the melting point of the second metal, and the first metal or the first metal. At least one hydride of the metal of 2 has a standard enthalpy of formation greater than or equal to the standard enthalpy of CaH 2 .
A heat-generating material (excluding those containing lanthanum) that generates heat when the first metal and the second metal come into contact with hydrogen gas at a temperature below the melting point of the second metal.
前記第1の金属と前記第2の金属とが、組成比の異なる複数の相を有する合金の状態で存在している、請求項1に記載の発熱材料。 The heat generating material according to claim 1, wherein the first metal and the second metal exist in the state of an alloy having a plurality of phases having different composition ratios. 前記第1の金属が、アルミニウム、スズまたは鉛である、請求項1または2に記載の発熱材料。 The heat generating material according to claim 1 or 2, wherein the first metal is aluminum, tin or lead. 前記第2の金属が、ニッケル、チタン、ジルコニウム、マンガン、亜鉛、バナジウムまたはカルシウムである、請求項1~3のいずれか1項に記載の発熱材料。 The heat-generating material according to any one of claims 1 to 3, wherein the second metal is nickel, titanium, zirconium, manganese, zinc, vanadium or calcium. 前記第1の金属と前記第2の金属との組み合わせが、ニッケル-ジルコニウム、アルミニウム-ニッケル、アルミニウム-チタン、アルミニウム-マンガン、アルミニウム-亜鉛、スズ-チタンまたはアルミニウム-カルシウムである、請求項1~4のいずれか1項に記載の発熱材料。 Claims 1 to 1, wherein the combination of the first metal and the second metal is nickel-zyrosine, aluminum-nickel, aluminum-titanium, aluminum-manganese, aluminum-zinc, tin-titanium or aluminum-calcium. The heat generating material according to any one of 4. 前記第1の金属および前記第2の金属が、無機多孔質体からなる外殻体の内部に位置している、請求項1~5のいずれか1項に記載の発熱材料。 The heat-generating material according to any one of claims 1 to 5, wherein the first metal and the second metal are located inside an outer shell made of an inorganic porous body. 前記無機多孔質体は金属酸化物を含む、請求項6に記載の発熱材料。 The heat generating material according to claim 6, wherein the inorganic porous body contains a metal oxide. 前記金属酸化物はシリカまたはジルコニアを含む、請求項7に記載の発熱材料。 The heat generating material according to claim 7, wherein the metal oxide contains silica or zirconia. 請求項1~8のいずれか1項に記載の発熱材料が配置された発熱装置と、
前記発熱材料を加熱するヒーターと、
前記発熱材料に対して水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、
を備えた、発熱システム。
A heat generating device in which the heat generating material according to any one of claims 1 to 8 is arranged, and a heat generating device.
A heater that heats the heat-generating material and
A hydrogen gas supply device that supplies hydrogen gas to the heat-generating material,
Equipped with a heat generation system.
請求項1~のいずれか1項に記載の発熱材料を、水素ガスの存在下、前記第1の金属の融点以上、前記第2の金属の融点未満の温度に加熱することにより、前記発熱材料を発熱させることを含む、熱供給方法。 The heat generating material according to any one of claims 1 to 8 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the first metal and lower than the melting point of the second metal in the presence of hydrogen gas. A method of supplying heat, including heating the material.
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